2. Инструменты нанотехнологии

Главный инструмент нанотехнолога – его мозг. Получая новую информацию, мы анализируем, систематизируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и теории. Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди которых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос – сами по себе сложные устройства, достойные восхищения инженера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего рода инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных знаний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо создать соответствующую технику, для чего опять-таки необходимы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук.

Познание природы и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши знания о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных соединений – фуллеренов и нанотрубок. С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были теоретически вполне работоспособны, однако же не использовались в XVI веке. Для их реализации была необходима высокоточная обработка деталей, которая хоть и не представляет сложности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи.

Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях.

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат принципы, так или иначе «подсмотренные» у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе.

3. Медицинские и биологические материалы

Задача увеличения продолжительности и качества жизни мо­тивирует интенсивные разработки в области биоматериалов вооб­ще и нанобиоматериалов в частности. Основные области применения наноматериалов в медицине, биологии и сельском хозяйстве весьма разнообразны:

-хирургический и стоматологический инструментарий;

-диагностика, наномоторы и наносенсоры;

-фармакология, лекарственные препараты и методы их достав­ки:

-искусственные органы и ткани;

-стимулирующие добавки, удобрения и т.д.;

- защита от биологического и радиологического оружия.

Рис. 1 Титановые пластины — имплантаты для костного остеосиитеча

Рассмотрим наиболее характерные примеры. Как биологиче­ски полностью совместимый с живыми тканями титан перспек­тивен в травматологии и стоматологии для изготовления протезов тазобедренных, коленных, челюстных и других суставов, пластин и спиц для костного сращивания, винтов для фиксации позво­ночника и т. п. Однако нелегированный титан обладает невысоки­ми механическими свойствами. Методы интенсивной пластиче­ской деформации (в частности, равноканальное угловое прессо­вание), позволяют существенно измельчить материал, вплоть до получения . зерен размером 100 — 200 нм, что значи­тельно (в 2 — 3 раза) повышает механические свойства. Физико-механические характеристики наноструктурного титана находят­ся на уровне таковых для его лучших сплавов (например, типа Ti—V—А1), однако последние значительно уступают нелегиро­ванному титану по биологической совместимости. На рис. 1 по­казаны имплантаты из наноструктурного титана.

В современной хирургии травматологии и стоматологии нахо­дят применение материалы памятью формы (Главным образом никелид титана TiNi). Эффект памяти формы проявляется в обра­тимом при определенных условиях изменении формы, что ис­пользуется в ряде областей техники. Рабочие органы эндоскопов, фиксаторы и скобы для составов, экстракторы для извлечения камней из мочеточнеков — вот некоторые из медицинских приложений эффекта памяти формы. Восстановление заданной фор­мы этих инструментов осуществляется за счет температуры чело­веческого организма или при нагреве электрическим током. На рис. 2 показано действие экстрактора для извлечения камней. Методы интенсивной пластической деформации, приводя к аморфизации структуры TiNi и нанокристаллизации при последующем отжиге, обеспечивают образование нанокристаллической струк­туры и повышение механически)? свойств в 1,5 — 2,5 раза, а также долговечность эксплуатации.

Еще один из биосовместимых и биоактивных материалов — это

Рис. 2. Экстрактор в виде петли [15]: а, б — исходное состояние; в — рабочее состояние; г — петля подведена выше камня; д, е — захват одного и двух камней соответственно

а б в г д е

гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2. Он используется как инди­видуально, так и в составе полимерных, стеклянных, углеродных и других композитов для изготовления искусственных имплантантов, наполнителей костных дефектов, создания покрытий на металлических имплантатах, для пломбирования зубов и т.д. Одна из основных проблем для материалов этого типа — повышение механической прочности и трещиностойкости. По этим показателям гидроксиапатитовые изделия значительно уступают челове­ческой костной ткани, которая тоже примерно на 70 % состоит из гидроксиапатита (остальное — это белковые волокна (20 %) и вода). Использование ультрадисперсных порошков при получении гид­роксиапатита позволяет повысить прочность и снизить температу­ру спекания (что важно, поскольку при высоких температурах это соединение разлагается), но в целом проблема реализации нано­структуры с высокими механическими свойствами применитель­но к Са10(РО4)6(ОН)2 остается пока нерешенной. Следует отме­тить, что практически все или во всяком случае многие из при­родных биоматериалов (например, костные ткани, материалы зу­бов, кожи и т.п.) по своим физико-химическим и физико-меха­ническим свойствам, не говоря уже о биологических характерис­тиках, пока значительно превосходят их искусственные аналоги и в этом отношении наноструктурные подходы являются особенно ценными.

Развиваются работы по допированию поверхностей титановых и других имплантатов кальциевыми ионами (пленки тугоплавких соединений на основе TiN с добавками фосфатов и оксидов каль­ция), что позволяет не только повысить биосовместимость, но и увеличить износостойкость и ресурс использования.

Модифицирование поверхности полимеров типа полиэтилен терефталата и политетрафторэтилена за счет ионно-плазменной обработки с формированием наноструктурного рельефа приводит к значительному повышению антимикробной активности, что перспективно для создания биологически активных систем и их использования в биологии, медицине и пищевой промышленности.

Известно, что медицинская ценность многих лекарственных препаратов может быть повышена при уменьшении размеров ча­стиц до нанометров. Такие частицы проходят через капилляры, и лекарства на их основе могут вводится внутривенно. В то же время переносчики генов — это тоже наночастицы с участием ДНК, и ДНК-технология рассматривается как перспективный метод переноса лекарств и генов. Таким образом, нанотехнологические подходы очень важны в современной фармакологии, ко­торая активно развивает концепцию «волшебной пули», т.е. быс­трой и направленной доставки лекарственных препаратов в нужные органы или ткани. Умень­шение размеров используемых наночастиц и разработка новых «направляющих» лигандов, со­держащих лекарственные препа­раты, — эти и другие приемы ис­пользуются исследователями для оптимизации принципов «вол­шебной пули». Разработано спе­циальное устройство (так назы­ваемое «генное ружье»; рис. 3), с помощью которого наночастицы золота, покрытые ДНК, ус­коряются сверхзвуковым пото­ком гелия и используются для ввода генетического материала в наченное для доставки генетического материала в намеченные клетки растений в намеченные клетки животных. Флуоресцентные биотоки растений и животных логические метки на основе по­лупроводниковых нанокристаллов (типа CdSe) считаются перспективными для маркировки и на­блюдения за поведением вводимых в организм препаратов.

Р ис. 3. «Генное ружье», предначенное для ввода генетического материала в намеченные клетки растений животных. Флуоресцентные биотоки растений и животных логические метки на основе по­лупроводниковых нанокристалов (типа CdSe) считаются перспективными для маркировки и на­блюдения за поведением вводимых в организм препаратов.

Имеется несколько кратких сообщений о том, что различные дисперсные системы в виде ультрадисперсных порошков перспек­тивны также для защиты от биологического и радиологического оружия, но подробные сведения по этому вопросу отсутствуют. Тем не менее информация о биологических свойствах наночастиц рас­ширяется (например, антимикробные свойства наночастиц сереб­ра, алмаза, а также фуллеренов и других нанообъектов; влияние ультрадисперсных порошков железа и других металлов на урожай­ность зерновых и зерново-бобовых культур, а также на заживле­ние язв и регенерацию тканей и др.).

В США в ближайшие годы ожидается коммерческое производ­ство металлооксидных наночастиц (для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при напа­дении террористов), а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха (например, в самолетах, казармах, офисах и т.п.) .

Следует, однако, иметь в виду и токсическое действие наноча­стиц на живые организмы. Известно отрицательное влияние час­тиц кремниевых соединений и бериллия на здоровье человека, но, в принципе, и другие вещества в виде ультрадисперсных по­рошков, включая углеродные нанотрубки, могут быть потенци­ально опасными и требуют осторожного обращения .

Широкое распространение получает из­готовление полимерных нановолокон диаметром менее 100 нм. Эти волокна используют для изготовления «активной» одежды, спо­собствующей самозаживлению ран и диагностике состояния (с вос­приятием команд извне!) . Следует упомянуть еще и о биоактивных фильтрах на основе нановолокон. Американские фирмы «Argonide» и «NanoCeram™» с участием российских спе­циалистов наладили выпуск волокна диаметром 2 нм и длиной 10—100 нм (удельная поверхность 300 — 600 м2Д) из бемита (AlOOH). Эти волокна, агрегированные в «комки» размером око­ло 1 мкм, могут быть соответственно либо кристаллическими (аг­регаты типа «перекати-поле»), либо аморфными (агрегаты, напо­минающие комки снега). Благодаря наличию большого числа гид-роксильных групп агрегаты волокон в водных растворах заряжа­ются положительно и активно сорбируют отрицательно заряжен­ные бактерии, вирусы, неорганические и органические наноча-стицы, обеспечивая эффективную очистку воды, а также стери­лизацию медицинских сывороток и биологических сред.

Большое распространение получили биочипы с ДНК-зондами и с белковыми зондами, которые позволяют проводить диагно­стику болезней на молекулярном уровне, вырабатывая одновре­менно и методы лечения с минимальными побочными эффекта­ми. Изготовление этих чипов предусматривает нанесение содер­жащих флуоресцентные или иные метки молекул ДНК (или бел­ков) на специальную подложку. На микрочипы наносятся зонды и гены, содержащиеся в возбудителях анализируемых болезней (например, сибирской язвы, оспы или других опасных болезней, которые могут быть в арсеналах биотеррористов).

Быстрое фиксирование генетической информации обеспечи­вается технологией, сходной с литографическими методами фор­мирования рисунка в интегральных схемах. Связывание ДНК (или белков) на микрочипе с аналогичными компонентами исследуе­мого объекта распознается сканером и обрабатывается компьюте­ром (рис. 4). Использование биочипов неоценимо также в выяв­лении предрасположенности к тем или иным болезням, а также для наблюдения за развитием последних и во многих других слу­чаях современной медицинской и судебно-медицинской диагно­стики. Создание искусственных биологических тканей тоже тесно связано с ДНК-технологией и биочипами.

В США коммерческим производством биочипов занимается несколько фирм. В России ведущие исследования и разработки в области биочипов (а также их изготовление) проводят в Институ­те молекулярной биологии РАН.

Наконец, наноэлектромеханические устройства и наносенсо-ры на основе ДНК — это весьма перспективные сверхминиатюр­ные молекулярные двигатели и диагностические приборы для че­ловеческого организма, которые могли бы обеспечить высокий уровень поддержания здорового образа жизни и необходимых мерлечения. Исследования в этом направлении ведутся активно, хотя до широкого внедрения в медицинскую практику еще далеко.